農(nóng)業(yè)信息化導(dǎo)論第6章課件

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)第六章虛擬現(xiàn)實技術(shù)及在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用王玉潔農(nóng)業(yè)信息技術(shù)第六章虛擬現(xiàn)實技術(shù)及在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用第一節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念第二節(jié)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)第三節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)軟件第四節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用第一節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念第一節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念傳統(tǒng)的信息處理環(huán)境一直是“人適應(yīng)計算機”，而當(dāng)今的目標(biāo)或理念是“以人為本”，要逐步使“計算機適應(yīng)人”，人們要求通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，以及形體、手勢或口令，參與到信息處理的環(huán)境中去，從而取得身臨其境的體驗。這種信息處理系統(tǒng)已不再是建立在單維的數(shù)字化空間上，而是建立在一個多維的信息空間中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是支撐這個多維信息空間的關(guān)鍵技術(shù)。第一節(jié)虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念傳統(tǒng)的信息處理環(huán)境一直是“人適應(yīng)計算機一、虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality，簡稱VR)，又稱虛擬實境或靈境技術(shù)。VR思想的起源可追溯到1965年IvanSutherland在IFIP會議上的《終極的顯示》報告，而VirtualReality一詞是80年代初美國VPL公司的創(chuàng)建人之一JaronLanier提出來的。此后，VR系統(tǒng)成功應(yīng)用在若干領(lǐng)域，促使它在90年代快速興起。虛擬現(xiàn)實是高度發(fā)展的計算機技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中集中體現(xiàn)了多個領(lǐng)域的最新成果。不僅包括圖形學(xué)、圖像處理、傳感技術(shù)、模式識別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能等高性能計算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信，并且與氣象、地理、美學(xué)、心理學(xué)和社會學(xué)等相關(guān)。一、虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality，簡1、虛擬現(xiàn)實的定義對虛擬現(xiàn)實目前還沒有一個固定的定義。Webster’sNewUniversalUnabridgedDictionary（1998）對Virtual（虛擬）的定義是“beinginessenceoreffect,butnotinfact.”（在本質(zhì)上或效果上存在，但在事實上卻不存在）。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義可以歸納如下：虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR是指利用計算機生成的一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術(shù)；VR技術(shù)可以讓用戶使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察或操作，同時提供視、聽、觸摸等多種直觀而又自然的實時感知。虛擬現(xiàn)實包括了人、機、環(huán)境等三個部分。1、虛擬現(xiàn)實的定義對虛擬現(xiàn)實目前還沒有一個固定的定義。Web（1）“環(huán)境”，就是由計算機生成的一個能給人提供視覺、聽覺、觸覺、嗅覺以及味覺等感官刺激的逼真世界，可以是某一特定現(xiàn)實世界的真實實現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想的世界。（2）“機”，是指計算機系統(tǒng)與三維交互設(shè)備，常用的有立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置，此外還有設(shè)置于現(xiàn)實環(huán)境中的傳感裝置，如攝像機、各種傳感器等。（3）“人”，是指參與者的頭部轉(zhuǎn)動、眼睛、手勢或其它人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，對用戶的手勢、口頭命令等輸入做出實時響應(yīng)，并分別反饋給用戶，使用戶有身臨其境的感覺，成為該模擬環(huán)境中的參與者，還可以和在該環(huán)境中的其他參與者打交道。（1）“環(huán)境”，就是由計算機生成的一個能給人提供視覺、聽覺、2、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特性

美國科學(xué)家BurdeaG.和PhilippeCoiffet曾在1993年世界電子年會上發(fā)表的“VirtualRealitySystemandApplications”一文中，提出一個“虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三角形”，它明確地表示了虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有的3個突出的特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）構(gòu)想性（Imagination）也就是人們熟悉的“3I”特性。虛擬現(xiàn)實的本質(zhì)是人與計算機之間或人與人借助計算機進行交流的一種方式，這種方式具有相當(dāng)逼真的三維虛擬世界，即具有三維交互接口。2、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特性美國科學(xué)家BurdeaG.和P（1）交互性（Interaction）是指參與者對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實時性）。這種交互性的產(chǎn)生，主要借助于各種專用的三維交互設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使人類通過自然的方式，產(chǎn)生如同在真實世界中一樣的感覺。例如用戶轉(zhuǎn)動頭部時，虛擬環(huán)境中的景物就會隨用戶的視角的變動而變動，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中的物體，且有抓取東西的感覺，甚至還可以感覺到物體的重量，視場中被抓起的物體也應(yīng)隨著用戶手的移動而移動。（1）交互性（Interaction）是指參與者對虛擬環(huán)境內(nèi)（2）沉浸性（Immersion）又稱臨場感或存在感，是指用戶感覺到好像完全置身于虛擬世界之中一樣，被虛擬世界所包圍，使用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的技術(shù)特征。導(dǎo)致沉浸感的原因是用戶對計算機環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達到使用戶難以分辨真假，如實現(xiàn)比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果；如天文學(xué)專業(yè)的學(xué)生可以在虛擬星系中邀游，英語專業(yè)的學(xué)生可以在虛擬劇院觀看莎士比亞戲劇。用戶覺得自己是虛擬環(huán)境中的一個部分，而不是旁觀者，感到被虛擬景物所包圍，可以在這一環(huán)境中自由走動，與物體相互作用，如同在現(xiàn)實世界中一樣。（2）沉浸性（Immersion）又稱臨場感或存在感，是指用（3）構(gòu)想性（Imagination）是指虛擬的環(huán)境是人想象出來的，同時這種想象體現(xiàn)出設(shè)計者相應(yīng)的思想，因而可以用來實現(xiàn)一定的目標(biāo)。構(gòu)想性是指設(shè)計開發(fā)者的想象力。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣。能解決在工程、醫(yī)學(xué)、軍事、娛樂等方面的問題，這些應(yīng)用極大地依賴于人類的想象力，去模擬現(xiàn)實世界，甚至創(chuàng)造一個全新的虛擬世界。（4）多感知性(Multi-Sensory)是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。虛擬現(xiàn)實旨在提供多維感覺通道和類似現(xiàn)實的全面的信息，讓參與者在虛擬環(huán)境中獲得多種感知，從而達到身臨其境的感受。（3）構(gòu)想性（Imagination）是指虛擬的環(huán)境是人想象虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點就在于計算機能通過圖形構(gòu)成三維空間，或者把其他現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感受。這些環(huán)境可以是真實的，也可以是想象的世界模型，其目的是通過人工合成的經(jīng)歷來表示信息。有了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，過去一些難以解釋并理解的復(fù)雜或抽象系統(tǒng)的概念，可以通過將系統(tǒng)的各子部件，以某種方式表示成具有確切含義的符號，使其形象化，易于被人們所理解接受。從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是對現(xiàn)實世界的再現(xiàn)和夢境的實現(xiàn)；從技術(shù)角度講，它是軟件、硬件領(lǐng)域的前沿技術(shù)綜合應(yīng)用和面向?qū)ο蟮木C合技術(shù)開發(fā)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點就在于計算機能通過圖形構(gòu)成三維空間，或者把用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴展了自己的認知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設(shè)計工具，它以視覺形式產(chǎn)生一個適于人類認知方式的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有力的支持。這種技術(shù)的應(yīng)用，改進了人們利用計算機進行多工程數(shù)據(jù)處理的方式，尤其用在需要對大量抽象數(shù)據(jù)進行處理方面；同時，它在許多不同領(lǐng)域的應(yīng)用，帶來了巨大的經(jīng)濟效益。用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了3、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)根據(jù)其原理和規(guī)模不同,可分為如下幾類:桌面式VR系統(tǒng)，沉浸式VR系統(tǒng)，疊加式VR系統(tǒng)，分布式VR系統(tǒng)。（1）桌面式VR系統(tǒng)桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）以微型計算機為核心，對硬件要求不高,使用者通過屏幕、鍵盤和鼠標(biāo)便可與虛擬環(huán)境進行交互。該系統(tǒng)適用于一些實驗過程簡單、展示性強、交互性較少的實驗演示。它把計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口，參與者需要使用手拿輸入設(shè)備或位置跟蹤器，來駕馭該虛擬環(huán)境和操縱虛擬場景中的各個物體。3、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)根據(jù)其原理和規(guī)模不同,可分（2）沉浸式VR系統(tǒng)沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）利用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等各種設(shè)備把用戶的視覺、聽覺、和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個參考者，并利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。它是一種沉浸度較高、較復(fù)雜的系統(tǒng)。使用者必須利用傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進行交互。（3）疊加式VR系統(tǒng)疊加式VR系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)實世界進行觀察的同時，通過穿透型頭戴式顯示器將計算機虛擬圖像疊加在現(xiàn)實世界之上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實環(huán)境有關(guān)的、存儲在計算機中的信息，從而增加操作員對真實環(huán)境的感受，因此又被稱為補充顯示系統(tǒng)。它是一種可供多人同時參與的大型VR系統(tǒng)。它可以利用網(wǎng)絡(luò)，將不同用戶聯(lián)結(jié)起來，共享一個虛擬空間，使多個用戶通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協(xié)同工作的目的。（2）沉浸式VR系統(tǒng)（4）分布式VR系統(tǒng)分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達到一個更高的境界。目前，其主要應(yīng)用于虛擬醫(yī)學(xué)會診、遠程虛擬會議、虛擬戰(zhàn)爭等領(lǐng)域。（4）分布式VR系統(tǒng)4、VR的關(guān)鍵技術(shù)

（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。。有效地獲取模型數(shù)據(jù)。實物虛化的基本原理是采用攝像或掃描的手段而不是傳統(tǒng)的建模手段來創(chuàng)建虛擬環(huán)境中的事件和對象。如果說傳統(tǒng)的幾何建模技術(shù)是一個"虛物實化"的過程，那么虛擬化現(xiàn)實就是將現(xiàn)實世界中的事件和對象轉(zhuǎn)換成虛擬世界里的事件和對象，是一個"實物虛化"的過程。綜合運用"虛物實化"和"實物虛化"，就可以使虛擬環(huán)境中既有計算機創(chuàng)造出來的虛擬實體，又有真實世界中的景物。

4、VR的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)（2）立體聲合成和立體顯示技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，如何消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關(guān)性已成為聲學(xué)專家們研究的熱點。同時，雖然三維圖形生成和立體圖形生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但復(fù)雜場景的實時顯示一直是計算機圖形學(xué)的重要研究內(nèi)容。（3）傳感器技術(shù)。虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于傳感器技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實還遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點；虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。（2）立體聲合成和立體顯示技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，如何消除聲（4）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)。由于虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術(shù)等等。（4）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和5、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究意義

（1）人-機界面具有三維立體感，使得環(huán)境的效果更加逼真，畫面更加友好。（2）繼承了現(xiàn)有計算機仿真技術(shù)的優(yōu)點，具有高度的靈活性。（3）突破環(huán)境限制。運用計算機技術(shù)人為的制造出虛擬的環(huán)境，不論是真實的，還是想象的。許多不存在的世界變得似乎不再遙遠，可以為我們所掌握了，人類可以影響操縱的空間也似乎增大了許多。這種情況目前在三維游戲中比較常見。5、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究意義（1）人-機界面具有三維立體感，（4）節(jié)省研究經(jīng)費。對于某種不可知的研究設(shè)計，運用虛擬技術(shù)模擬出該設(shè)計，在一種虛擬的環(huán)境下研究設(shè)計可行性，再付之于真實的行動，使得研究可能按照更加良性的的方向發(fā)展下去，研究本身也大大避免了浪費的可能性。比如汽車碰撞保護的研究，若是可以大量應(yīng)用虛擬技術(shù)實現(xiàn)測試，一定比一輛一輛的撞毀汽車更加節(jié)省研究經(jīng)費。（5）模擬高危險性工作，降低人身傷害的機會。（4）節(jié)省研究經(jīng)費。對于某種不可知的研究設(shè)計，運用虛擬技術(shù)模二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史

VR技術(shù)的發(fā)展大致可分為三個階段：20世紀(jì)50年代至70年代，是VR技術(shù)的準(zhǔn)備階段；80年代初至80年代中期，是VR技術(shù)系統(tǒng)化、開始走出實驗室進入實際應(yīng)用的階段；80年代末至今，是VR技術(shù)迅猛發(fā)展的階段。第一階段，50～70年代，為虛擬現(xiàn)實的探索階段。1965年由美國的MortonHeileg開發(fā)了一個稱做Sensorama的摩托車仿真器，不僅具有三維視頻及立體聲效果，還能產(chǎn)生風(fēng)吹的感覺和街道氣味。1968年，美國計算機科學(xué)家IvanSutherland在哈佛大學(xué)組織開發(fā)了第一個計算機圖形驅(qū)動的“達摩克里斯之劍”頭盔顯示器（HMD，HeadMountedDisplay）及頭部位置跟蹤系統(tǒng)，成為VR技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，為虛擬現(xiàn)實的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史VR技術(shù)的發(fā)展大致可分為三個階段：第二階段，80年代初至80年代中期，開始形成VR技術(shù)的基本概念，開始由實驗進入實用階段。1982年，ThomasFurnessIII展示了帶有6個自由度跟蹤定位的頭盔顯示器（HMD），從而使用戶完全脫離的周圍環(huán)境。1985年，ScottFisher在NASA繼續(xù)三維立體HMD工程的發(fā)展，創(chuàng)建了由操作者位置、聲音和手勢控制，帶有廣角立體顯示的頭盔式顯示系統(tǒng)。1988年，NASA與美國國防部共同支持研制了一個虛擬界面環(huán)境工作站VIEW(VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation)，該工作站由一臺HP-9000計算機、一副數(shù)據(jù)手套、一個液晶頭盔顯示器和一套語音識別系統(tǒng)構(gòu)成，用戶可以從中看到立體圖像、聽到三維聲、可發(fā)出口頭命令、可伸手捉取由計算機生成的虛擬物體，這是世界上第一套虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。其他如VPL公司開發(fā)了用于生成虛擬現(xiàn)實的RB2軟件和DataGlove數(shù)據(jù)手套，為虛擬現(xiàn)實提供了開發(fā)工具。第二階段，80年代初至80年代中期，開始形成VR技術(shù)的基本概第三階段，80年代末至今，為虛擬現(xiàn)實全面發(fā)展階段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)從實驗室的試驗階段走向了市場的實用階段，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究也從基本理論和系統(tǒng)構(gòu)成的研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用過程中所遇到的具體問題的探討。虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其產(chǎn)品得到飛速發(fā)展，并形成了產(chǎn)業(yè)。虛擬現(xiàn)實新的成果，主要有：使用基于圖像的繪制技術(shù)，以提高圖形生成的速度；各種新的交互設(shè)備，如雙手輸入技術(shù)，三維反饋設(shè)備；增強現(xiàn)實，也成混合現(xiàn)實，它是將真實環(huán)境和虛擬現(xiàn)實的景象結(jié)合起來的一種技術(shù)，既可以減少生成復(fù)雜環(huán)境的開銷，又便于對實際物體的操作；(4）分布式虛擬現(xiàn)實環(huán)境，在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用各地資源的優(yōu)勢，協(xié)同開發(fā)虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用等；(5)多通道人機交互技術(shù)，即采用人體多種自然交互手段向系統(tǒng)輸入，如手勢、語言、頭部或身體動作等。第三階段，80年代末至今，為虛擬現(xiàn)實全面發(fā)展階段。虛擬現(xiàn)實技三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、VR技術(shù)在美國的研究開發(fā)美國是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地，其VR技術(shù)的發(fā)展水平基本上代表了國際的發(fā)展水平，它是全球研究最早，研究范圍最廣的國家，其研究的內(nèi)容涉及從新概念發(fā)展（如VR的概念模型）、單項關(guān)鍵技術(shù)（如觸覺反饋）到VR系統(tǒng)的實現(xiàn)及應(yīng)用等有關(guān)VR技術(shù)的各個方面。1966年,美國的MIT林肯實驗室在海軍科研辦公室的資助下,研制出了第一個頭盔式顯示器（HMD）,隨后又將模擬力和觸覺的反饋裝置加入到系統(tǒng)中。80年代初，美國的DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）為坦克編隊作戰(zhàn)訓(xùn)練開發(fā)了一個實用的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)SIMNET。SIMNET系統(tǒng)中的每個獨立的模擬器都能單獨模擬M1坦克的全部特性，包括導(dǎo)航、武器、傳感和顯示等性能，對坦克裝置上的武器、傳感器和發(fā)動機等的模擬是在特定的作戰(zhàn)環(huán)境下進行的。三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1、VR技術(shù)在美國的研究開發(fā)美國宇航局（NASA）的研究重點放在對空間站操縱的實時仿真上，大多數(shù)研究是在NASA的約翰遜空間中心完成的。NASA完成的一項著名的工作是對哈勃太空望遠鏡的仿真。NASA的Ames實驗室現(xiàn)在正致力于一個叫“虛擬行星探索”（VPE）的試驗計劃，這一項目能使“虛擬探索者”（VirtualExplorer）利用虛擬環(huán)境來考察遙遠的行星，他們的第一個目標(biāo)是火星。現(xiàn)在NASA己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院（MIT）是一個一直走在最新技術(shù)前沿的科學(xué)研究機構(gòu)。MIT原先就是研究人工智能、機器人和計算機圖形學(xué)及動畫的先鋒，這些技術(shù)都是VR技術(shù)的基礎(chǔ)，1985年MIT成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。這個媒體實驗室建立了一個名叫BOLIO的測試環(huán)境，用于進行不同圖形仿真技術(shù)的實驗。利用這一環(huán)境，MIT建立了一個虛擬環(huán)境下的對象運動跟蹤動態(tài)系統(tǒng)。美國宇航局（NASA）的研究重點放在對空間站操縱的實時仿真上華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實驗室（HITLab）在新概念的研究中起著領(lǐng)先作用，同時也在進行感覺、知覺、認知和運動控制能力的研究。HIT將VR研究引入了教育、設(shè)計、娛樂和制造領(lǐng)域。例如，波音公司的V22運輸機就是先在實驗室中造出虛擬機后再投入生產(chǎn)的。Davesims等人研制出虛擬現(xiàn)實撤退模型來觀看系統(tǒng)如何運作。此系統(tǒng)先假設(shè)在倫敦地鐵中突然發(fā)生火災(zāi)，一些人向出口跑去，母親們努力聚攏孩子們，而一些人卻在詢問起火的原因。在出口處，人群擁擠在門口，使勁地向前擠，但卻不能前進一步。這時單擊鼠標(biāo)左鍵，加寬門口拉走門柱，許多人能迅速通過。人們得出結(jié)論：在突發(fā)事件中，保持平靜和快速是非常重要的?，F(xiàn)在在維加斯的虛擬購物商場中，每一個字符都指定為一個隨意的數(shù)字發(fā)生器，當(dāng)突然發(fā)生火災(zāi)時，發(fā)生器立即指示一個熟悉的出口，并且省去人們聚集家人或詢問出口的麻煩。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實驗室（HITLab2、VR技術(shù)在歐洲的研究開發(fā)

歐洲的VR技術(shù)研究主要由歐共體的計劃支持，在英國、德國、瑞典、荷蘭、西班牙等國家都積極進行了VR技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。如大西洋公約組織（NATO）計劃將海戰(zhàn)、空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)與SIMNET相聯(lián)，把各個不同國家的兵力匯進SIMNET而成為一個虛擬戰(zhàn)場等。BritishAerospace（英國航空公司Bae）的Brough分部正在利用VR技術(shù)設(shè)計高級戰(zhàn)斗機座艙，BAe開發(fā)的大項目VECTA（VirtualEnvironmentConfigurableTrainingAid）是一個高級測試平臺，用于研究VR技術(shù)以及考察用VR替代傳統(tǒng)模擬器方法的潛力。2、VR技術(shù)在歐洲的研究開發(fā)歐洲的VR技術(shù)研究主要由歐共歐洲其他一些發(fā)達的歐洲國家如法國、德國、瑞典、西班牙等也積極進行了VR的開發(fā)與應(yīng)用。如西班牙在SG上做的多用戶VR項目——虛擬奧運會，以奧運體育競技作為其研究重點,目的是開發(fā)用于如下兩方面的VR環(huán)境：一是雙人滑雪模擬器，二是以數(shù)字化虛擬方式制作1992年巴塞羅那奧運會足球賽的四人電影劇本。虛擬現(xiàn)實中的人—機交互效應(yīng)主要由傳感技術(shù)來完成。如將數(shù)據(jù)手套、手勢等顯示及時地輸入到計算機中進行處理，達到在虛擬環(huán)境中人與虛擬物體的交互效果。歐洲其他一些發(fā)達的歐洲國家如法國、德國、瑞典、西班牙等也積極3、VR技術(shù)在亞洲的研究開發(fā)

日本是居于領(lǐng)先位置的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究。另外在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也做了很多工作。東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為SPINAR（SpaceInterfaceDeviceforArtificialReality）的系統(tǒng)。NEC公司計算機和通信分部中的系統(tǒng)研究實驗室開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它能讓操作者都使用“代用手”去處理三維CAD中的形體模型，該系統(tǒng)通過VPL公司的數(shù)據(jù)手套把對模型的處理與操作者手的運動聯(lián)系起來。京都的先進電子通信研究所（ATR）系統(tǒng)研究實驗室的開發(fā)者們正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來識別手勢和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入。該系統(tǒng)將提供一個更加自然的接口，而不需要操作者帶上任何特殊的設(shè)備。東京大學(xué)的原島研究室開展了3項研究：人類面都表情特征的提取、三維結(jié)構(gòu)的判定和三維形狀的表示、動態(tài)圖像的提取。3、VR技術(shù)在亞洲的研究開發(fā)日本是居于領(lǐng)先位置的國家之一，富士通實驗室有限公司正在研究的一個項目是虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用。他們還在研究虛擬現(xiàn)實中的手勢識別，已經(jīng)開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別姿勢，也可以識別表示詞的信號語言。筑波大學(xué)工程機械學(xué)院研究了一些力反饋顯示方法。他們開發(fā)了九自由度的觸覺輸入器：開發(fā)了虛擬行走原型系統(tǒng)，步行者只要腳上穿上全方向的滑動裝置，他就能交替邁動左腳和右腳。富士通實驗室有限公司正在研究的一個項目是虛擬生物與VR環(huán)境的4、VR技術(shù)在我國的研究開發(fā)

我國對VR技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)90年代初,國內(nèi)的一些科研單位、大學(xué)等,對虛擬現(xiàn)實的研究取得了重要成果,在某些方面的研究已經(jīng)接近國際先進水平。浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，實現(xiàn)了立體視覺，同時還提供了方便的交互工具，使整個系統(tǒng)的實時性和畫面的真實感都達到了較高的水平。北京航空航天大學(xué)研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理，在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)出了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了分布式虛擬世界網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供虛擬現(xiàn)實演示世界，提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺。清華大學(xué)計算機科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究。西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢大學(xué)、國防科技大學(xué)等院校和科研單位也進行了相應(yīng)的研究和開發(fā)工作，也取得了不少科技成果，積極推動了虛擬現(xiàn)實本土化，使虛擬現(xiàn)實走向大眾化和民用化。4、VR技術(shù)在我國的研究開發(fā)我國對VR技術(shù)的研究起步于20四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在軍事、航空、醫(yī)學(xué)、機器人、農(nóng)業(yè)、娛樂業(yè)的應(yīng)用占據(jù)主流地位；其次是教育、藝術(shù)和商業(yè)方面；另外，在可視化計算、制造業(yè)等領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)谋戎?，并且現(xiàn)在的應(yīng)用也越來越廣泛，其中應(yīng)用增長最快的是制造業(yè)。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，這一技術(shù)將是本世紀(jì)的研究熱點。1、軍事與航空航天虛擬現(xiàn)實技術(shù)在作戰(zhàn)模擬領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，且多數(shù)涉及戰(zhàn)場環(huán)境仿真。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境仿真，其目的就是構(gòu)成多維的、可感知的、可度量的、逼真的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，借此提高參訓(xùn)人員對戰(zhàn)場環(huán)境的認知效率。主要用于仿真對抗、導(dǎo)調(diào)監(jiān)控、裝備操作、參謀作業(yè)訓(xùn)練等。四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在軍事、航空、醫(yī)學(xué)、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境可以為計算機作戰(zhàn)推演、半實兵演習(xí)、實兵演習(xí)提供與實際演習(xí)區(qū)域的仿真環(huán)境，也可以為特定的訓(xùn)練科目擬構(gòu)出典型的訓(xùn)練環(huán)境（在現(xiàn)實中并不存在）。借助于虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，可以訓(xùn)練指揮員的指揮決策能力、參謀人員的業(yè)務(wù)能力、裝備操作人員的操作能力。美軍從1984年開始研制的基于網(wǎng)絡(luò)的分布式坦克訓(xùn)練模擬系統(tǒng)SIMNET，就將美國本土及歐州的10個地區(qū)作戰(zhàn)環(huán)境置于系統(tǒng)之內(nèi)。到了90年，已使200輛裝甲車輛可異地參加統(tǒng)一指揮的可交互的模擬演練。每個模擬器以美國的M1主戰(zhàn)坦克為單位，提供作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)精確的地形起伏、植被、道路、建筑物、橋梁等信息。坦克手可以在模擬器中看到由計算機實時生成的戰(zhàn)場環(huán)境以及其他戰(zhàn)車圖像。1991年，美國為海灣戰(zhàn)役“東經(jīng)73”計劃的實施提供了一套供M1A1主戰(zhàn)坦克使用的戰(zhàn)場環(huán)境仿真系統(tǒng)，將伊拉克的沙漠環(huán)境用三幅大屏幕展現(xiàn)在參戰(zhàn)者面前，進行身臨其境的戰(zhàn)場研究，為最終取勝打下了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。虛擬戰(zhàn)場環(huán)境可以為計算機作戰(zhàn)推演、半實兵演習(xí)、實兵演習(xí)提供與荷蘭1992年完成的毒刺導(dǎo)彈訓(xùn)練器（VST）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于單兵武器模擬設(shè)備的代表作，它在頭盔內(nèi)形成一個空間動態(tài)立體場景；隨操作者的頭部動作而相應(yīng)改變場景，以訓(xùn)練操作者對付敵方飛行器的機動能力和瞄準(zhǔn)能力，予先制備的VCD盤提供各種作戰(zhàn)環(huán)境相應(yīng)的音響效果。1997年，洛克希德.馬丁Vought公司為美國海軍航空兵訓(xùn)練系統(tǒng)項目辦公室開發(fā)了一套實戰(zhàn)演習(xí)系統(tǒng)TOPSCENE（戰(zhàn)術(shù)操作實況）。這是一個綜合運用軍事測繪成果和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備，被廣泛應(yīng)用于海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、陸軍和空軍，已配備100多套。該系統(tǒng)運用SGI圖形工作站（最高配置為ONYX2、4個R1000CPU）來處理圖像數(shù)據(jù)，在高配置下，每秒能產(chǎn)生30幀詳細、逼真的高分辨率戰(zhàn)場圖像。系統(tǒng)可以模擬各種地形要素、不同的氣象條件，還可仿真帶有夜視儀、紅外顯示器或合成孔徑雷達顯示效果的夜間戰(zhàn)斗過程。荷蘭1992年完成的毒刺導(dǎo)彈訓(xùn)練器（VST）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)用2、科學(xué)可視化

現(xiàn)在，有許多數(shù)據(jù)或物質(zhì)，如紅外線、微波、雷達電磁場等在通道中流動的各種數(shù)據(jù)都不是可見的，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，很容易將這些數(shù)據(jù)可視，這就為我們的研究帶來很大方便。一個虛擬現(xiàn)實商店有這樣一些優(yōu)點：它非常接近于現(xiàn)實世界的商店經(jīng)驗，因而更容易讓購買者熟悉。支持顧客天然的購物行為，例如步行、在商店里東張西望；能給顧客帶來滿足的情緒，通過更多的互動和讓商品在視覺上更吸引人。這種虛擬現(xiàn)實商店通過允許人們與其他顧客或者銷售員互相相遇并互動，滿足顧客的社會需求。2、科學(xué)可視化現(xiàn)在，有許多數(shù)據(jù)或物質(zhì)，如紅外線、微波、雷達3、教育與培訓(xùn)

在學(xué)校教育中，特別是理工科類課程的教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用較多。它不僅適用于課堂教學(xué)，使之更形象生動，也適用于互動性實驗中，即虛擬演示教學(xué)與實驗。還有遠程教育系統(tǒng)、特殊教育、技能培訓(xùn)等方面也運用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。（1）在遠程教學(xué)中，往往會因為實驗設(shè)備、實驗場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的原因，而使一些應(yīng)該開設(shè)的教學(xué)實驗無法進行。利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以彌補這些方面的不足，學(xué)生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。（2）避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。以往對于危險的或?qū)θ梭w健康有危害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，學(xué)生無法直接參與實驗，獲得感性認識。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬實驗．則可以免除這種顧慮。3、教育與培訓(xùn)在學(xué)校教育中，特別是理工科類課程的教學(xué)中，虛（3）徹底打破空間、時間的限制。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進入這些物體的內(nèi)部進行觀察。重構(gòu)事物原型，夸張表現(xiàn)世界，提供直觀體驗。（4）可以虛擬人物形象。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以虛擬歷史人物、偉人、名人、教師、學(xué)生、醫(yī)生等各種人物形象，創(chuàng)設(shè)一個人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使遠程教育的學(xué)生能夠在自然、親切的氣氛中進行學(xué)習(xí)。例如，在虛擬的課堂學(xué)習(xí)氣氛中，遠程教育的學(xué)生可以與虛擬的教師、學(xué)生一起交流、討論，共同探討學(xué)習(xí)中的各種問題，進行協(xié)作化學(xué)習(xí)。再如，在思想品德課教學(xué)中，學(xué)生可以與虛擬的先進人物如雷鋒、孔繁森同志一起座談、交流，通過先進人物的言行來感化學(xué)生，從而達到思想品德教育的目的。再如，在外語教學(xué)中，可以通過計算機虛擬學(xué)生到國外旅游的情境，讓學(xué)生與人交談，達到訓(xùn)練學(xué)生口語的目的。（3）徹底打破空間、時間的限制。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以徹底打（5）實踐技能訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實在教育學(xué)習(xí)中的另一個應(yīng)用是，使抽象的概念、理論直觀化、形象化，方便學(xué)生對抽象概念的理解。例如，學(xué)習(xí)加速度概念時，通過虛擬演示，讓學(xué)生觀察當(dāng)改變物體的重力大小及方向時，加速度的變化情況，使學(xué)生加深對加速度概念的理解。利用虛擬技術(shù)，學(xué)生還可以進行溫室效應(yīng)、電路設(shè)計、建筑設(shè)計等方面的探索學(xué)習(xí)，從而研究出二氧化碳對全球氣候的影響規(guī)律，或設(shè)計出新的電路、新的建筑物。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行探索學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。例如軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、教學(xué)技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練。由于這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。（5）實踐技能訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實在教育學(xué)習(xí)中的另一個應(yīng)用是，使抽4、建筑設(shè)計與城市規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實可以將二維或CAD模型擴展成為建筑師或客戶可以進入其中、進行研究的三維空間，如虛擬房屋、醫(yī)院、辦公大樓，以及其他空間。建筑師可以取得一幢房子或建筑物CAD數(shù)據(jù)，然后將它轉(zhuǎn)化成一次仿真，包括自來水龍頭、電燈開關(guān)、門把手等等，在仿真過程中它還可以修改照明、供暖、音響效果等等。通過使用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套，建筑師可以引導(dǎo)客戶進入仿真的建筑物，頭盔顯示器可以可使客戶從不同的角度觀察其內(nèi)部空間，同時，可以在建筑物中漫游。數(shù)據(jù)手套是實施時改變窗戶位置和門的寬度的關(guān)鍵設(shè)備，在漫游過程中所做的任何修改都會自動的記錄在數(shù)據(jù)庫中，因而不必重新輸入建筑師就畫出反映各種修改意見的最終圖形。這類動完善的建筑仿真還使得建筑師可以確定其設(shè)計是否符合無障礙進入，例如，以為做在輪椅上的熱頭戴著頭盔顯示器，將空間跟蹤定位器固定在輪椅上，就可以進入一幢虛擬建筑物。這種方法可以很容易的識別柜臺高度、通道或其他以外的問題所帶來的設(shè)計錯誤。4、建筑設(shè)計與城市規(guī)劃虛擬現(xiàn)實可以將二維或CAD模型擴展成農(nóng)業(yè)信息化導(dǎo)論第6章課件用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的水庫和江河湖泊仿真系統(tǒng)，能使人一覽無遺。例如建立起三峽水庫模型后，便可在水庫建成之前，直觀地看到建成后的壯觀景象。蓄水后將最先淹沒哪些村莊和農(nóng)田，哪些文物將被淹沒，這樣能主動及時解決問題。如果建立了某地區(qū)防汛仿真系統(tǒng)，就可以模擬水位到達警戒線時哪些堤段會出現(xiàn)險情，萬一發(fā)生決口將淹沒哪些地區(qū)，這對制定應(yīng)急預(yù)案有莫大的幫助。三峽庫區(qū)水淹沒過程的模擬如圖用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的水庫和江河湖泊仿真系統(tǒng)，能使人一覽無5、娛樂、旅游、文化藝術(shù)

娛樂上的應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用最廣闊的領(lǐng)域，從早期的立體電影到現(xiàn)代高級的沉浸式游戲，以及豐富的感覺能力與3D顯示世界使得虛擬現(xiàn)實成為理想的視頻游戲工具。世界第一個較大的虛擬現(xiàn)實娛樂系統(tǒng)是“BattleTechCenter”，是90年在芝加哥開放的。將VR技術(shù)應(yīng)用于旅游業(yè)可以使游客能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城堡，甚至深入原子內(nèi)部觀察電子的運動軌跡和體驗愛因斯坦的相對論世界，從而更形象地獲取知識，激發(fā)思維。能使用戶“沉浸”于和諧人機環(huán)境的VR技術(shù)在娛樂業(yè)有著極其廣泛的應(yīng)用。如虛擬博物館，利用網(wǎng)絡(luò)或光盤等載體實現(xiàn)遠程訪問。另外，虛擬現(xiàn)實提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力，如一個虛擬的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，即使異地，也可以在居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會等。名勝古跡虛擬旅游展現(xiàn)名勝古跡的景點，如圖所示可以任意選擇路徑遨游各景點，樂趣無窮。5、娛樂、旅游、文化藝術(shù)娛樂上的應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用最廣虛擬太空景象

第一個大規(guī)模的VR娛樂系統(tǒng)“BattleTech”，將每個“座艙”仿真器連網(wǎng)進行組之間的對抗，3D逼真視景、游戲桿、油門、剎車和受到打擊時的晃動給用戶很強的感官刺激。虛擬太空景象如圖1-8所示。虛擬現(xiàn)實所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)（如優(yōu)化、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)?！缎乔虼髴?zhàn)》、《黑客帝國》等，除了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，就是在講述虛擬現(xiàn)實。娛樂電視工業(yè)(虛擬設(shè)備以及在線影像)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的使用中獲益匪淺。通過使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，電視工業(yè)可以避免為一幕戲制造真正的設(shè)備，因而節(jié)約了時間和金錢。在游戲工業(yè)的應(yīng)用包括在線虛擬世界的游戲，就像真正的人在游戲世界里一樣有趣。虛擬太空景象第一個大規(guī)模的VR娛樂系統(tǒng)“BattleTec日本電視臺推出的歌星DiKi，不僅歌聲迷人而且風(fēng)采翩翩，引得無數(shù)歌迷紛紛傾倒，許多追星族欲親睹其芳容，迫使電視臺只好說明她不過是虛擬的歌星。美國迪斯尼公司還準(zhǔn)備推出虛擬演員。這將使“演員”藝術(shù)青春常在、活力永存。由計算機拍成的游戲節(jié)目《古墓麗影》片中的女主角入選全球知名人物，預(yù)示著虛擬演員時代即將來臨。日本電視臺推出的歌星DiKi，不僅歌聲迷人而且風(fēng)采翩翩，引得6、設(shè)計制造業(yè)

虛擬制造是利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，并進行過程管理與控制。走出僅僅依賴經(jīng)驗的狹小天地發(fā)展到全方位預(yù)報階段。在計算機上的虛擬產(chǎn)品設(shè)計，不但能提高設(shè)計效率，而且能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，從而優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計。例如美國波音公司投資40億美元研制波音777噴氣式客機，從1990年10月開始到1994年6月僅用了3年零8個月時間就完成了研制，一次試飛成功，投入運營。波音公司分散在世界各地的技術(shù)人員可以從777客機數(shù)以萬計的零部件中調(diào)出任何一種在計算機上觀察、研究、討論，所有零部件均是三維實體模型。可見虛擬產(chǎn)品設(shè)計給企業(yè)帶來的效益。6、設(shè)計制造業(yè)虛擬制造是利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計要進行多用虛擬制造技術(shù)進行產(chǎn)品的設(shè)計、試制和評價，首先是進行產(chǎn)品的立體建模，然后將這個模型置于虛擬環(huán)境中控制、仿真和分析，可以在設(shè)計階段就對設(shè)計的方案、結(jié)構(gòu)等進行仿真，還可以方便直觀地進行工作性能檢查。在微機上實現(xiàn)的計算機生成圖象的地鐵車輛模擬裝置的視景系統(tǒng)如圖要進行多用虛擬制造技術(shù)進行產(chǎn)品的設(shè)計、試制和評價，首先是進行7、化工醫(yī)學(xué)生物工程

虛擬現(xiàn)實技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展以及兩者之間的融合使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)已開始對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，目前正處于應(yīng)用虛擬現(xiàn)實的初級階段，其應(yīng)用范圍包括從建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學(xué)模擬，以及進行解剖和外科手術(shù)教育等。當(dāng)前計算機經(jīng)常被用來設(shè)計各種合成藥物，虛擬仿真器允許研究人員測試各種新藥物的特性，如北卡羅來那大學(xué)使用的GropeIII虛擬仿真器，它可以是研究人員看到或感受到一種藥物分子是如何與其他生物化學(xué)物質(zhì)相互作用的，這些先進的儀器和技術(shù)大大加速了用于各種疾病的藥物開發(fā)過程。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以進行人體解剖仿真，醫(yī)學(xué)院的學(xué)生們可以不必局限于書本和尸體，為了了解人體解剖學(xué)的復(fù)雜性，可以使用一個虛擬的病人。外科醫(yī)生與人體打交道，將空間跟蹤定位裝置固定在虛擬手術(shù)刀或手術(shù)剪上，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就可以監(jiān)視和記錄外科醫(yī)生的位置和方向。該外科醫(yī)生帶一個虛擬頭盔顯示器就可以看到一個虛擬的人體立體視圖，該虛擬人體具有正在工作的肌肉骨骼系統(tǒng)和完整得到相互作用的器官系統(tǒng)，因而它能向真實的人體一樣具有生命力。7、化工醫(yī)學(xué)生物工程虛擬現(xiàn)實技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展以及兩農(nóng)業(yè)信息化導(dǎo)論第6章課件虛擬人由于“虛擬人”具有重大的社會應(yīng)用價值，歐洲一些國家及日本等紛紛啟動這個研究項目。而此前，只有美國、韓國掌握了“虛擬人”技術(shù)，建有“虛擬人數(shù)據(jù)集”。1994年，美國科學(xué)家將一具男尸切成1878多片，每片厚度1毫米；1998年，又將一具女尸切成5190多片，每片厚度0.33毫米，并以這個數(shù)據(jù)集為平臺，開發(fā)了大量相關(guān)的應(yīng)用軟件。

虛擬人由于“虛擬人”具有重大的社會應(yīng)用價值，歐洲一些國家及日據(jù)了解，與美、韓所完成的虛擬人數(shù)據(jù)集相比，中國首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集在標(biāo)本處理、血管顯示、機械改裝、冷凍保存、切削調(diào)控、數(shù)據(jù)獲取等8大綜合技術(shù)上，都有了不同程度的補充、完善、改進和提高：研制出專用切削設(shè)備，切片精度提高到0.1毫米,共切片8556片；采用立式冷凍、立式包埋和立式切削等技術(shù)，最大限度地保持和體現(xiàn)人體各個臟器的形狀和位置，保持了人體原有的形態(tài)，避免因多次裝夾而引起的數(shù)據(jù)丟失；編制了人體斷面圖像采集工藝，實現(xiàn)自動化控制連續(xù)切削和自動化圖像采集；對獲得的數(shù)據(jù)進行幾何色彩校正，確保數(shù)據(jù)的真實性。

據(jù)了解，與美、韓所完成的虛擬人數(shù)據(jù)集相比，中國首例女性虛擬人

同時，將血管鑄型技術(shù)應(yīng)用于虛擬人數(shù)據(jù)集的建模，解決了目前國際上尚未解決的血管顯示技術(shù)難題。據(jù)悉，首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集已經(jīng)提供國內(nèi)有關(guān)研究單位應(yīng)用。虛擬人代真人接受試驗“虛擬人數(shù)據(jù)集”將廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、國防、航空航天、體育、建筑、汽車、影視及服裝等人類活動相關(guān)領(lǐng)域。例如，專家可以借電腦操控，代替真人做各種科學(xué)實驗。專家們可以在虛擬人身上做物理實驗，例如人的骨頭很硬，但是究竟能承受多重的外力，可以用虛擬人代替真人模仿撞擊實驗。同時，將血管鑄型技術(shù)應(yīng)用于虛擬人數(shù)據(jù)集的建模，解決“女性虛擬中國人之父”、中國工程院院士鐘世鎮(zhèn)教授

“女性虛擬中國人之父”、中國工程院院士鐘世鎮(zhèn)教授農(nóng)業(yè)信息化導(dǎo)論第6章課件農(nóng)業(yè)信息化導(dǎo)論第6章課件“虛擬生物人”可以用于研究人體疾病的發(fā)生機理，預(yù)測疾病發(fā)展規(guī)律，以及進行各種新藥的篩選等。舉一個簡單的例子，在臨床上沒有經(jīng)驗的外科醫(yī)生必須要跟著上級醫(yī)生做手術(shù)，有了“虛擬生理人”，就可以把過去手術(shù)的成功經(jīng)驗變成計算機語言表現(xiàn)出來。年輕醫(yī)生可以在電腦上模擬無數(shù)次的手術(shù)，找出最成功的手術(shù)方式，這可以稱之為“電腦帶徒弟”。

“虛擬生物人”可以用于研究人體疾病的發(fā)生機理，預(yù)測疾病發(fā)展規(guī)五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與其它學(xué)科技術(shù)

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體技術(shù)多媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)有許多相似之處，但兩者的關(guān)系一直以來備受爭議。有人認為多媒體技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的子集，有人認為則相反。其實，兩者相互滲透，它們應(yīng)是相互交叉的學(xué)科。重要的是，我們應(yīng)該如何更好的應(yīng)用它們，為社會主義新農(nóng)村建設(shè)及我國的現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與其它學(xué)科技術(shù)1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體技術(shù)2、虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真技術(shù)

系統(tǒng)仿真技術(shù)是一種實驗技術(shù)，它為一些復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)造了一種計算機實驗環(huán)境，使系統(tǒng)的未來性能測試和長期動態(tài)特性能在極短的時間內(nèi)在計算機上得到實現(xiàn)，從實施過程來看，它是通過對所研究系統(tǒng)的認識和了解，抽取其中的基本要素的關(guān)鍵參數(shù)，建立與現(xiàn)實系統(tǒng)相對應(yīng)的仿真模型，經(jīng)過模型的確認和仿真程序的驗證，并進行仿真實驗，以模擬系統(tǒng)的運行過程，觀察系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間變化的動態(tài)規(guī)律性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)側(cè)重于表現(xiàn)形式，它可以與客觀世界相同，也可以與現(xiàn)實背道而馳，而系統(tǒng)仿真則側(cè)重于真實復(fù)雜世界的科學(xué)抽象，真正反映出現(xiàn)實世界的運動形式，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以更好地幫助系統(tǒng)仿真驗證模型的有效性，并可以更加直觀地、有效地表現(xiàn)仿真結(jié)果，兩者相輔相成。2、虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真技術(shù)是一種實驗技術(shù)，它為虛擬現(xiàn)實是模擬仿真在高性能計算機系統(tǒng)和信息處理環(huán)境下的發(fā)展和技術(shù)拓展。我們可以舉一個煙塵干擾下能見度計算的例子來說明這個問題。在構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺應(yīng)用過程中，經(jīng)常會有由燃燒源產(chǎn)生的連續(xù)變化的煙塵干擾環(huán)境能見度的計算，從而影響環(huán)境的視覺效果、仿真實體的運行和決策。某些仿真平臺和圖形圖像生成系統(tǒng)也研究煙塵干擾下的能見度計算，仿真平臺強調(diào)煙塵的準(zhǔn)確物理模型、干擾后的能見度精確計算以及對仿真實體的影響程度；圖形圖像生成系統(tǒng)著重于建立細致的幾何模型，估算光線穿過煙塵后的衰減。而虛擬環(huán)境中煙塵干擾下的能見度計算，不但要考慮煙塵的物理特性，遵循煙塵運動的客觀規(guī)律，計算影響仿真結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)，而且要生成用戶能通過視覺感知的逼真圖形效果，使用戶在實時運行的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實是模擬仿真在高性能計算機系統(tǒng)和信息處理環(huán)境下的發(fā)展和3、虛擬現(xiàn)實與圖形學(xué)

計算機圖形技術(shù)一本實時圖形生成與顯示的技術(shù)，它具有良好的實時交互性和一定的自主性。但是，在多感知和存在感方面圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實有較大差距。圖形學(xué)主要依賴于視覺和聽覺感知，雖然生成的圖形可以具有三維立體數(shù)據(jù)，但由于感知手段的限制，用戶并不能感到自己和生成的圖形世界融合在一起，比如場景不能隨自己的實現(xiàn)改變而改變等。在虛擬現(xiàn)實中和通常圖像顯示不同的是，要求顯示的圖像要隨觀察者眼睛位置的變化而變化。此外，要求能快速生成圖像以獲得真實感。例如，制作動畫時不要求實時，為了保證質(zhì)量每幅畫面需要多長時間生成不受限制。而虛擬現(xiàn)實時生成的畫面通常為30幀/秒。有了這樣的圖像生成能力，再配以適當(dāng)?shù)囊繇懶Ч?，就可以使人有身臨其境的感受。3、虛擬現(xiàn)實與圖形學(xué)計算機圖形技術(shù)一本實時圖形生成與顯示的第二節(jié)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

一、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成1、人對環(huán)境的感知與交互作用真實世界是人類生活的世界，而虛擬現(xiàn)實VR則是通過計算機生成的世界，是真實世界的仿真，即虛擬世界。過去人與計算機之間交互式用鍵盤、鼠標(biāo)等形式。要求人適應(yīng)計算機。而VR技術(shù)本質(zhì)上是采用人與人之間進行通信的方式實現(xiàn)人與設(shè)備之間的交流。在這個虛擬世界里的一切，看上去和聽起來都好象是真的，動起來也象是真的，這些都是通過人的感知而獲得的，所以VR技術(shù)與人的關(guān)系是極為重要的。虛擬現(xiàn)實的發(fā)展離不開對人的因素的研究。人與外界環(huán)境的交互分成兩大部分：感知與行為作用。人是通過視覺、聽覺、觸覺及嗅覺等感覺器官感知外界環(huán)境及其變化的。第二節(jié)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成（1）視覺人類的視覺是最有效的感覺器官，對觀察者能產(chǎn)生強烈的刺激。人的視覺是通過眼睛來實現(xiàn)的，人眼是一個高度發(fā)達的器官。人類大腦每秒鐘要接受大量視覺信息，并處理這些信息以獲得對周圍環(huán)境的理解。當(dāng)人眼看到被光源照射的物體時，實際上看到的是被照射物體上反射的光波。人眼的晶狀體匯集這種反射光，并把它折射到眼球后面的視網(wǎng)膜。視網(wǎng)膜接受這種信息并將其傳送到大腦中的視覺皮層，形成人所看到的景物。視覺的另一個重要因素是立體視覺能力。人的視覺之所以能分辨遠近，是靠兩只眼睛的差距。人的兩眼分開約5公分，兩只眼睛除了瞄準(zhǔn)正前方以外，看任何一樣?xùn)|西，兩眼的角度都不會相同。雖然差距很小，但經(jīng)視網(wǎng)膜傳到大腦里，腦子就用這微小的差距，產(chǎn)生遠近的深度，從而產(chǎn)生立體感。一只眼睛雖然能看到物體，但對物體遠近的距離卻不易分辨。根據(jù)這一原理，如果把同一景像，用兩只眼睛視角的差距制造出兩個影像，然后讓兩只眼睛一邊一個，各看到自己一邊的影像，透過視網(wǎng)膜就可以使大腦產(chǎn)生景深的立體感了。各式各樣的立體演示技術(shù)，也多是運用這一原理，稱其為“偏光原理”。

（1）視覺（2）聽覺人對聽覺的敏感程度僅次于對視覺的反應(yīng)，因此在虛擬顯示系統(tǒng)中聲音是人機交互的第二傳感通道。人耳是將聲波轉(zhuǎn)換成大腦可以解釋的信號的感覺器官。聲波由振動波組成，外耳收集聲波并將它導(dǎo)入耳道，聲波使得鼓膜產(chǎn)生振動，鼓膜與中耳和內(nèi)耳連通。聲波在內(nèi)耳中轉(zhuǎn)換成神經(jīng)脈沖，并傳送到大腦皮層。大腦皮層將來自雙耳的神經(jīng)信號解釋為噪聲、語言、音樂或定位線索等，這種定位線索有助于大腦將聲音定位在一個特定環(huán)境中。人耳聽到的聲波頻率范圍約為20Hz-20kHz。人腦能夠識別聲源位置，是因為人腦能夠識別聲源到達兩耳的時間之差、聲源對左右兩個耳朵作用的壓強之差，從而做出正確的判斷。虛擬顯示的聽覺環(huán)境系統(tǒng)包括兩個方面：一是語音識別系統(tǒng)，計算機對用戶語言和因動作而產(chǎn)生的聲音進行識別；二是三維虛擬聲音產(chǎn)生系統(tǒng)，把計算機處理并輸出的三維聲音通過耳機或話筒傳遞給用戶。一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以產(chǎn)生雙聲道或多聲道聲音，以代替耳朵所聽到的真實環(huán)境的聲音。這種聲音仿真要求能精心的校準(zhǔn)兩耳的時間延遲，這需要高質(zhì)量的聲音定位系統(tǒng)。（2）聽覺（3）身體感覺身體感覺對于人類是必不可少的，其中最主要的就是觸覺和力覺感受。人身體可以感知周圍環(huán)境，如相對皮膚的運動、壓力、位置、疼痛及溫度等，大腦的體感皮層將分布在體表及深層組織內(nèi)的感受器接收到的信號轉(zhuǎn)化為各種感覺。通過觸覺可以獲得機械感受和本體感受。機械感受提供給人類關(guān)于物體的形狀、表面紋理、溫度等多方面的線索。本體感受是從肌肉中獲得信息，例如形狀、力量和硬度等。當(dāng)人身體受到某種損害或壓迫時，身體會感覺到疼痛；當(dāng)有物體作用于人體，使皮膚及深層組織受到壓力、顫動或變形時，人體的觸覺感受器官會對這些刺激做出反應(yīng)。依據(jù)這個原理，可以做出力覺、觸覺反饋感知器。（3）身體感覺（4）行為系統(tǒng)人類對環(huán)境的作用是通過行為、語言等方式完成。人體在方向子系統(tǒng)的控制下改變身體和頭部的方向及體位，人類用手勢、面部表情、語言等傳達一定的信息，人類正是通過這些行為影響外部環(huán)境及自身，從而實現(xiàn)與外部環(huán)境、與人之間的交互。對于人類而言，用手操作現(xiàn)實生活中的物體是非常自然的，因此手勢語言提供了一種與虛擬世界交互相對而言比較自然的方式。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能識別人的手勢并根據(jù)預(yù)先定義的手勢語言執(zhí)行相應(yīng)的操作。虛擬現(xiàn)實還可以利用虛擬人的面部表情反應(yīng)情感動作，使得虛擬人更加逼真，增強效果。虛擬顯示系統(tǒng)還應(yīng)能夠進行語音識別，通過識別參與者的語言，參與者能夠向虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)發(fā)出命令或與虛擬世界中的物體交談，實現(xiàn)更和諧更自然的交互。（4）行為系統(tǒng)2、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是由計算機與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并分別反饋到用戶的各種感覺器官，使參與者到這樣的一個數(shù)據(jù)空間中，并成為合成環(huán)境中的一個內(nèi)部參與者。參與者可對這個環(huán)境中的數(shù)據(jù)進行修改、增加、刪除，任何改變都將保存在數(shù)據(jù)庫中。在VR系統(tǒng)中，用戶不是觀眾，而是該系統(tǒng)內(nèi)部的一個主動的參與者，是這個環(huán)境的主人，這是與傳統(tǒng)的圖形系統(tǒng)最重要的區(qū)別。為了使虛擬環(huán)境有效地模擬現(xiàn)實環(huán)境，實現(xiàn)人機自然交互并使用戶產(chǎn)生較強的沉浸感，需要有相應(yīng)的硬件和軟件環(huán)境支撐。在人與計算機之間建立具有沉浸感和交互性的友好關(guān)系，就要求構(gòu)成虛擬環(huán)境的計算機系統(tǒng)能適應(yīng)人所慣用的信息獲取形式和思維過程。人在與環(huán)境的交互過程中，利用肌體和器官對所接觸的事物的各種感知和認知能力，以全方位的方式獲取各種不同形式的信息。人獲取信息并不只用聽和讀的方式，所獲取得信息也不只限于文字或數(shù)字，還有圖像和場景、聲音和嗅覺、觸覺和動感等。2、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是由計算機與參與者的動虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括硬件環(huán)境、軟件環(huán)境兩大部分。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成如圖。硬件設(shè)備包括計算機系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、行為系統(tǒng)，感知系統(tǒng)與行為系統(tǒng)可合稱為交互系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實硬件虛擬現(xiàn)實軟件感知系統(tǒng)行為系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用開發(fā)軟件中央處理器存儲系統(tǒng)輸入輸出接口計算機系統(tǒng)聽覺視覺觸覺動作語言操作系統(tǒng)服務(wù)程序數(shù)據(jù)庫管理虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括硬件環(huán)境、軟件環(huán)境兩大部分。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組（1）計算機系統(tǒng)是產(chǎn)生三維世界的硬件環(huán)境，是VR系統(tǒng)的核心部件。它的主要功能是接收用戶參與者相關(guān)的運動信息（如頭部、眼、手等），生成視圖，并融合成三維立體圖像，同時進行三維聲音合成和發(fā)出觸覺、壓力等反饋信號；將描述這些內(nèi)容的信息以數(shù)據(jù)的形式存儲在存儲系統(tǒng)之中；實現(xiàn)輸入和輸出的實時處理，即進行實時演示和對環(huán)境實時模擬。計算機系統(tǒng)，基本部件由中央處理器（CPU）、內(nèi)部存儲器（只讀ROM和隨機RAM）和外部存儲器（軟盤、硬盤、閃盤、光盤）、輸入輸出接口3部分組成。（1）計算機系統(tǒng)是產(chǎn)生三維世界的硬件環(huán)境，是VR系統(tǒng)的核心部（2）軟件系統(tǒng)中的系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、服務(wù)開發(fā)工具軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件、驅(qū)動軟件等。構(gòu)建一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。軟件的主要任務(wù)是將硬件有機地組織在一起，使用戶能夠方便在虛擬世界中實現(xiàn)人機交互。開發(fā)工具是虛擬環(huán)境開發(fā)人員用于獲取、編輯和處理各種信息，編制虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序的一系列工具軟件的統(tǒng)稱。它可以對文本、圖形、圖像、動畫、音頻和視頻等信息進行控制和管理，并把它們按要求連接成完整的應(yīng)用軟件。開發(fā)工具大致可分為素材制作工具、著作工具和編程語言等3類。（2）軟件系統(tǒng)中的系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、服務(wù)開發(fā)工具軟件、數(shù)（3）交互系統(tǒng)由感知系統(tǒng)、行為系統(tǒng)組成，包括輸入輸出設(shè)備、傳感器及數(shù)據(jù)接口等。輸入設(shè)備用來輸入用戶頭部和手部的位置及方向信息，能夠察覺用戶的交互活動和動作；輸出設(shè)備是能夠表示三維(3D)圖形和高質(zhì)量立體聲的硬件，將計算機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成用戶的逼真體驗感覺，使用戶就像從真實世界得到的感受一樣；使用戶參與者能通過視覺、聽覺和觸覺等方式與虛擬環(huán)境實現(xiàn)信息的交互作用。輸入輸出設(shè)備主要包括可視化視覺通道、虛擬幕墻和全景空間、立體聲場的聽覺通道，以及語言、位置和姿態(tài)輸入裝置等，通過它們將用戶參與者與虛擬環(huán)境建立聯(lián)系。不同的項目根據(jù)實際的應(yīng)用可以有選擇的使用這些工具,主要包括：頭盔式顯示器和跟蹤器、數(shù)據(jù)傳感手套、大屏幕立體顯示系統(tǒng)及三維虛擬立體聲音生成裝置等。（3）交互系統(tǒng)由感知系統(tǒng)、行為系統(tǒng)組成，包括輸入輸出設(shè)備、傳二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備主要分為兩大類：一類是基于自然的交互設(shè)備，用于對虛擬世界信息的輸入，如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、三維控制器、三維掃描儀等。另一類是三維定位跟蹤設(shè)備，主要用于對輸入設(shè)備在三維空間中的位置進行判定，并送入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，如電磁跟蹤系統(tǒng)、聲學(xué)跟蹤系統(tǒng)、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、機械跟蹤系統(tǒng)等。1、數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套上有許多三維傳感器，可以測量出每個手指關(guān)節(jié)的彎曲角度和力的大小，運用這些信息就可以對計算機生成的虛擬環(huán)境和對象進行控制。數(shù)據(jù)手套的外觀和傳感器分布如圖二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備主要分為兩2、觸覺反饋

增強人對虛擬環(huán)境的沉浸感覺，增加觸覺反饋的人機界面，可使用戶產(chǎn)生“觸摸”到虛擬對象的感覺。在科學(xué)及工程仿真中，例如在遠距離機器操作和遠距離機器人控制的領(lǐng)域，它有著重大的應(yīng)用潛力。觸覺反饋裝置通常是通過用戶的手控制具有力反饋的工具，工具的動作控制虛擬環(huán)境。另一種觸覺反饋裝置是帶有若干有一定壓力的空氣囊的手套，它能夠在觸摸虛擬對象時感覺到并記錄壓力的變化。觸覺反饋裝置如圖所示。2、觸覺反饋增強人對虛擬環(huán)境的沉浸感覺，增加觸覺反饋的人機3、數(shù)據(jù)衣

數(shù)據(jù)衣是一種為了讓虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)識別全身運動而設(shè)計的輸入裝置，它可以檢測出人的四肢、腰部等部位的活動，以及關(guān)節(jié)（如手腕、肘關(guān)節(jié)）彎曲的角度。它能對人體大約50多個不同的關(guān)節(jié)進行測量，通過光電轉(zhuǎn)換，身體的運動信息送入計算機進行圖像重建，它還可以測量人體的體溫、呼吸、血壓及脈搏等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)衣可以測量整個身體的狀態(tài)，為了監(jiān)測全身，不但要檢測肢體伸展情況，還需要多個空間跟蹤設(shè)備來檢測肢體在空間中的位置與朝向，而且這些空間跟蹤設(shè)備相互之間還需要同步配合，所以要求高，實現(xiàn)技術(shù)難度大。3、數(shù)據(jù)衣數(shù)據(jù)衣是一種為了讓虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)識別全身運動而設(shè)計4、三維掃描儀

三維掃描儀（3DimensionalScanner）又稱為三維數(shù)字化儀或三維模型數(shù)字化儀。三維掃描儀與傳統(tǒng)的平面掃描儀、攝像機、圖像采集卡有很大不同。其掃描對象不是平面圖像，而是立體的實物。通過掃描，可以獲得物體表面每個采樣點的三維空間坐標(biāo)，彩色掃描還可以獲得物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，而攝像機只能拍攝物體的某一個側(cè)面，且會丟失大量的深度信息。三維掃描儀輸出的不是二維圖像，而是包含物體表面每個采樣點的三維空間坐標(biāo)和色彩的數(shù)字模型文件。這可以直接用于計算機輔助設(shè)計CAD或三維動畫。三維掃描儀還可以輸出物體表面色彩紋理貼圖。三維掃描儀能快速方便地將真實世界的立體彩色的物體信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了有效的手段。4、三維掃描儀三維掃描儀（3DimensionalS5、三維位置跟蹤器

位置跟蹤器是用戶與虛擬環(huán)境進行交互的基本裝置之一，用于檢測位置與方位，并將其數(shù)據(jù)送給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最常見的應(yīng)用是跟蹤用戶的頭、手、腿或其他對象的位置。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中常要檢測頭部與手的位置。要檢測頭與手在三維空間中的位置和方位，一般要跟蹤6個不同的運動方向，即沿X、Y、Z坐標(biāo)軸的平動和沿X、Y、Z軸方向的轉(zhuǎn)動。位置跟蹤器的形式很多，原理也完全不同，由超聲波、低頻磁場、光學(xué)和機械位移等各種傳感器構(gòu)成，用以測量3個坐標(biāo)位移和方向(6個自由度)。位置跟蹤器如圖(a)所示。3D鼠標(biāo)是最簡單的位置跟蹤器，它也可以當(dāng)作普通鼠標(biāo)使用，適合與臺式計算機交互，其外觀如圖(b)所示。與傳統(tǒng)鼠標(biāo)不同，3D鼠標(biāo)的按鍵是一個“空間球”，在球的內(nèi)部是一個6自由度傳感器，可以測量位置和方向。5、三維位置跟蹤器位置跟蹤器是用戶與虛擬環(huán)境進行交互的基本三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備主要有視覺感知設(shè)備、聽覺感知設(shè)備、觸覺感知設(shè)備等。視覺感知設(shè)備，向用戶提供立體寬視野的場景顯示，此類設(shè)備比較成熟。人類的視覺是最靈敏的感覺器官，用以產(chǎn)生視覺效果的顯示設(shè)備與普通的計算機屏幕顯示不同，VR要求提供大視野、雙眼立體顯示。在VR系統(tǒng)中，常用的視覺反饋工具有頭盔顯示器、立體活動眼鏡、雙眼全方位監(jiān)視器等等，但頭盔顯示器所能提供的臨場感要比立體眼鏡好得多。其他的視覺反饋工具還有監(jiān)視器以及大屏幕立體投影等。虛擬環(huán)境的視覺通道是一個多圖像顯示系統(tǒng)。當(dāng)在屏幕上有兩幀一定相位差的同一圖像時，用戶戴上具有偏光作用的立體眼鏡，就可以看到三維立體圖像，現(xiàn)實三維實體的可視化。聽覺感知設(shè)備，主要功能是提供虛擬世界中的三維真實感聲音的輸出及播放。如耳機、喇叭等。觸覺（力覺）感知設(shè)備，主要能反饋力的大小和方向，包含物體的質(zhì)感（如布料、木材、石頭、金屬、橡膠等）以及溫度感等。如力反饋鼠標(biāo)等。三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備主要有視覺1、頭盔顯示器

使用戶產(chǎn)生沉浸感的、最簡單的視覺裝置是頭盔顯示器(HeadMountedDisplay，HMD)。它可提供立體場景顯示、立體聲音輸出以及頭部位置跟蹤的功能，是實現(xiàn)虛擬環(huán)境較為方便的可視化裝置，價格也比較便宜。HMD是專門為用戶提供虛擬現(xiàn)實中景物的彩色立體顯示器。通常固定在用戶的頭部，用兩個LCD或CRT顯示器分別向兩只眼睛顯示圖像。這兩個顯示屏中的圖像分別由計算機驅(qū)動，屏上的兩幅圖像存在著細小的差別，類似于“雙眼視差”。大腦將融合這兩幅圖像獲得深度感知，因此頭盔顯示器具有較好的沉浸感。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸?fàn)钔哥R使影像因折射產(chǎn)生類似遠方效果。1、頭盔顯示器使用戶產(chǎn)生沉浸感的、最簡單的視覺裝置是頭盔顯2、雙筒全方位顯示器

頭盔的最大缺點是用戶戴在頭上后感到不習(xí)慣和不舒適，加上視野范圍較小，容易引起圖像信息丟失。雙筒全方位顯示器(BinocularOmni—OrientationMonitor，BOOM)，也稱支架顯示器或稱頭部耦合顯示器，和頭盔顯示器一樣有實時觀測和交互能力和立體顯示設(shè)備。其對頭盔顯示器的缺點加以改進，避免了頭盔的負重感且圖像的分辨率也有所提高。雙筒全方位顯示器的構(gòu)造是將兩個LCD顯示屏和光學(xué)系統(tǒng)裝在由多連桿機構(gòu)吊架的盒子中。用戶可在顯示器的雙目鏡中看到計算機所生成的虛擬世界，猶如通過雙筒望遠鏡觀看遠方的風(fēng)景一樣。支撐雙筒全方位顯示器的多連桿機構(gòu)可在操作范圍內(nèi)任意移動，具有位置跟蹤器的功能2、雙筒全方位顯示器頭盔的最大缺點是用戶戴在頭上后感到不習(xí)3、立體眼鏡

立體眼鏡由液晶光柵眼鏡和紅外線控制器組成。在一些應(yīng)用中，科學(xué)可視儀和極細微的外科手術(shù)，參與的每個專家都需要看到一幅同樣的立體圖像。這種立體監(jiān)視器能以兩倍于普通掃描速率更新屏幕，即120-140幅/秒的顯示頻率，計算機把RGB信號發(fā)送給監(jiān)視器。這些信號由兩幅交替的、偏移的透視圖像組成，一個與信號同步的紅外線控制器，用于控制無線模式工作下的活動眼鏡?？刂破鞑倏v液晶光柵交替地關(guān)閉兩眼中的一只眼睛的視野。這樣大腦寄存下一系列左、右眼圖像并通過立體觀測，把左、右眼圖像進行融合。這種圖像比基于LCD的HMD要清楚得多，而且長時間觀察也不會令人疲倦。然而，由于光柵過濾器泄露一部分光，所以使用者看到的圖像亮度不如屏幕好。3、立體眼鏡立體眼鏡由液晶光柵眼鏡和紅外線控制器組成。在一4、立體投影系統(tǒng)

在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中用以實時顯示立體圖像的立體投影系統(tǒng)通常主要包括專業(yè)投影顯示系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、成像裝置等三部分。在眾多的虛擬現(xiàn)實三維顯示系統(tǒng)中，有單通道立體投影系統(tǒng)、多通道環(huán)幕立體投影系統(tǒng)，或柱面立體投影系統(tǒng)等。立體投影系統(tǒng)需要的就是如何對圖像進行解調(diào)，使用戶看到的圖像是立體的。在立體投影系統(tǒng)中的一個重要部分就是立體投影屏幕。立體投影屏幕是利用立體復(fù)合技術(shù)是圖像呈三維顯示，它將包含左右眼的虛擬圖像信息分開，各自經(jīng)過調(diào)制步驟處理，然后把結(jié)果合并成一幅空間復(fù)合圖像，它同時包含了左右眼數(shù)據(jù)，對圖像解調(diào)后，用戶就可以看到立體的圖像。與立體眼鏡不同的是：立體眼鏡是按照時間順序排列圖像的，即同一個屏幕像素按時間序列顯示左右眼圖像；立體投影屏幕則是將左右眼的信息同時顯示在屏幕上，用戶通常戴一副“無源”偏振眼鏡，大腦將兩眼觀看得到的圖像綜合起來就產(chǎn)生了立體感受。4、立體投影系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中用以實時顯示立體圖像的立VR-WSV系統(tǒng)是一套基于VR工作站平臺的虛擬現(xiàn)實立體投影系統(tǒng)方案，如圖所示?，F(xiàn)已經(jīng)全面支持計算機群集和網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。支持基于OpenGL和Direct3D的各類型立體程序產(chǎn)生的虛擬立體顯示。系統(tǒng)主要由專業(yè)虛擬現(xiàn)實工作站+立體投影系統(tǒng)+立體轉(zhuǎn)換器+VR立體投影軟件系統(tǒng)+VR軟件開發(fā)平臺+三維建模工具軟件等幾個部分。是一套具有極高性能價格比的VR立體投影系統(tǒng)；小型、高性價比是該VR投影系統(tǒng)的特點，適合于VR教學(xué)、研發(fā)和其他實際應(yīng)用。VR-WSV系統(tǒng)是一套基于VR工作站平臺的虛擬現(xiàn)實立體投影四、虛擬世界生成設(shè)備

生成虛擬世界就是把設(shè)計者的思想、觀念和數(shù)據(jù)等映像成視覺、聽覺和觸覺形式，并展示給參與者。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機是虛擬世界的主要生成設(shè)備，所以有人稱之為“虛擬現(xiàn)實引擎”，它首先創(chuàng)建出虛擬世界的場景，同時還必須實時響應(yīng)用戶各種方式的輸入。計算機的性能在很大程度上決定了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，由于虛擬世界本身的復(fù)雜性及實時性計算的要求，產(chǎn)生虛擬環(huán)境所需的計算量極為巨大，這對計算機的配置提出了極高的要求，最主要是要求計算機必須的高速的CPU和強有力的圖形處理能力。通常虛擬世界生成設(shè)備主要分為：基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站、高度并行的計算機系統(tǒng)和基于分布式計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。四、虛擬世界生成設(shè)備生成虛擬世界就是把設(shè)計者的思想、觀念和1、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器

虛擬環(huán)境產(chǎn)生器是VR系統(tǒng)中的核心部件，它由計算機軟硬件系統(tǒng)、軟件開發(fā)工具及配套硬件（如圖形加速卡和聲卡等）組成。它實質(zhì)上是一個包括數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)生立體圖像的高性能計算機系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫包括虛擬環(huán)境中對象的描述及運動對象的運動、行為及碰撞作用等性質(zhì)的描述。例如，三維方位傳感器跟蹤人體運動，傳感手套數(shù)字化手勢，視覺反饋發(fā)送給主體顯示器，虛擬聲音由三維聲音發(fā)生器產(chǎn)生，畫面場景和方向跟隨球和游戲棒改變等等。虛擬環(huán)境產(chǎn)生器實際上是一個環(huán)境構(gòu)造程序，它由一系列子程序組成，在硬件的基礎(chǔ)上，用于設(shè)計參與者在虛擬環(huán)境中將會遇到的景和物。虛擬環(huán)境產(chǎn)生器的功能主要有：對虛擬環(huán)境中物體對象及其運動、行為、碰撞作用的特性進行描述；生成左、右眼視圖合成三維立體圖像；為聲音定域系統(tǒng)實時地提供與參與者頭部位置和方向信號；不僅產(chǎn)生和顯示一個虛擬境界，還需處理輸入、輸出數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)融合在虛擬環(huán)境中。它的輸出要轉(zhuǎn)換成參與者的視覺和聽覺信息，因此它是VR感覺反饋的一個關(guān)鍵部件。1、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器虛擬環(huán)境產(chǎn)生器是VR系統(tǒng)中的核心部件，它（1）三維聲音處理器三維聲音處理包括聲音合成、3D聲音定域和語音識別。在虛擬環(huán)境中，一般不能僅依靠一種感覺，錯綜復(fù)雜的臨場感通常需要用到立體聲。為此需要設(shè)置靜態(tài)及動態(tài)噪聲源，并創(chuàng)建一個動態(tài)的聲學(xué)環(huán)境。在VR應(yīng)用中，這個問題甚至比實時處理數(shù)據(jù)更重要，因為當(dāng)進入信息流影響數(shù)據(jù)庫狀態(tài)時，用聲音來提醒用戶注意至關(guān)重要。人們根據(jù)到達兩耳的聲音強度與相位差，來區(qū)別發(fā)聲的方向與位置，而且善于同時處理多個事件。例如當(dāng)視覺系統(tǒng)處理某一事件時，聽覺系統(tǒng)同時以比視覺系統(tǒng)低得多的頻帶寬度在后臺工作。由于人們的聽覺系統(tǒng)很善于在眾多的聲音中選取特定的聲音，因此，在VR系統(tǒng)中加入聲音合成裝置對沉浸感的經(jīng)歷十分有效。人們正積極進行用非語言聽覺（nonspeech—audio）研究低級傳感器和聽覺器官的高級認知因子，從而實現(xiàn)交互修改和聽覺參數(shù)識別、分離、定域多個同時發(fā)出的聲源的研究。

（1）三維聲音處理器（2）效果產(chǎn)生器效果產(chǎn)生器是完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置，包括能產(chǎn)生沉浸感受的各類輸出裝置，例如頭盔顯示器、立體聲耳機等，以及能測定視線方向和手指動作的輸入裝置，例如頭部方位探測器和數(shù)據(jù)手套等。

由于人們通常是通過視覺和聽覺來識別物體和形狀的，所以虛擬環(huán)境產(chǎn)生器生成的三維立體圖像部必須在最短的時間延遲內(nèi)考慮參與者頭部的位置和方向，系統(tǒng)內(nèi)的任何通信延遲都表現(xiàn)為視覺的滯后。如果這種滯后是可感知的，在某些條件下就會使參與者產(chǎn)生暈眩的感覺。這表明VR系統(tǒng)的外圍設(shè)備并非簡單地串在一起，而要仔細地分析外圍設(shè)備與系統(tǒng)的吞吐延遲，以便系統(tǒng)的視覺滯后達到一個可以接受的范圍。（2）效果產(chǎn)生器（3）應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)（Application）是面向具體問題的軟件部分，描述仿真的具體內(nèi)容，包括仿真的動態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)以及仿真對象之間和仿真對象與用戶之間的交互關(guān)系。應(yīng)用軟件的內(nèi)容直接取決于VR系統(tǒng)的應(yīng)用目的。（4）仿真管理器仿真管理器是一個協(xié)調(diào)景、物、事件、輸入信息的專用軟件，它使得虛擬環(huán)境參與者接近真實生活。該仿真管理程序有時還包含可以立即運行的擬現(xiàn)實應(yīng)用程序。

（3）應(yīng)用系統(tǒng)2、虛擬桌面和虛擬幕墻

為了擴